大質量星の多次元進化から解き明かす爆発的コンパクト天体形成メカニズムの統一的解明

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01130
• 研究機関: 福岡大学
• 研究代表者: 固武 慶 福岡大学, 理学部, 教授 (20435506)
• 研究分担者: 滝脇 知也 国立天文台, 科学研究部, 助教 (50507837) ; 梅田 秀之 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (60447357)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 超新星爆発 / 中性子星 / 多次元恒星進化 / スーパーコンピューティング / 輻射流体 / ニュートリノ

研究実績の概要

本年度は、昨年度の成果を更に発展させ、高速自転を伴う低金属大質量星の最終進化における~100秒程度の３次元流体シミュレーションを世界に先駆けて行なった。この星は初期に38太陽質量で太陽の1/50の金属量を持ち、広いSi/O対流層を持つ。シミュレーションの結果、この星では広いSi/O対流層内で大きなスケールの乱流運動が支配的になると同時に、星の自転に起因する低モードの渦状腕構造が現れることがわかった。さらに、対流による混合で層内における（従来の計算で仮定されていた角速度ではなく）比角運動量の動径分布が一定になることがわかった。また、昨年度に引き続き、超新星におけるニュートリノ集団振動についても調べた。特に、今年度は9.6太陽質量の星が進化した超新星から放出されるニュートリノについて極角方向と原子核による散乱効果（ハロー効果）を考慮したニュートリに集団振動を調べた。結果、ハロー効果によりニュートリノ集団振動の開始が遅れることを示すことに成功した。また、8.8太陽質量の超新星から放出されるニュートリノについては、極角方向だけでなく方位角方向の依存性も考慮してニュートリノ集団振動を計算した。その結果、軸対称性を仮定していた従来の計算では起こらないニュートリノ集団振動が現れることを示すことができた。また、新しい研究の方向性として、太陽の約5万倍の質量を持つ初代超大質量星の一般相対論的不安定による超新星の可能性について調べた。この爆発は一般相対論的不安定によるコアの急激な収縮後に起こる急激なヘリウム燃焼により起こる可能性がある。非回転の超大質量星進化の計算ではこのような爆発は示されなかったが、低速の回転を考慮したモデルでは、爆発が得られることを示すことが出来た。また今年度は、超新星残骸のX線観測との共同研究で超新星残骸の元素組成分布から得られる超新星の特徴についても調べることが出来た。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] バージニア工科大/アリゾナ州立大(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: バージニア工科大/アリゾナ州立大
• [国際共同研究] マックスプランク研究所(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: マックスプランク研究所
• [雑誌論文] Three-dimensional Hydrodynamics Simulations of Precollapse Shell Burning in the Si- and O-rich Layers (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Takashi , Takiwaki Tomoya , Kotake Kei , Takahashi Koh , Nakamura Ko , Umeda Hideyuki
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 908 ページ: 44
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abd3a3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Impact of binary interactions on the diffuse supernova neutrino background (2021)
  • 著者名/発表者名: Horiuchi Shunsaku , Kinugawa Tomoya , Takiwaki Tomoya , Takahashi Koh , Kotake Kei
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 103 ページ: -
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.043003
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Three-flavor collective neutrino conversions with multi-azimuthal-angle instability in an electron-capture supernova model (2021)
  • 著者名/発表者名: Zaizen Masamichi , Horiuchi Shunsaku , Takiwaki Tomoya , Kotake Kei , Yoshida Takashi , Umeda Hideyuki , Cherry John F.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 103 ページ: -
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.063008
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Detectability of standing accretion shock instabilities activity in supernova neutrino signals (2020)
  • 著者名/発表者名: Lin Zidu , Lunardini Cecilia , Zanolin Michele , Kotake Kei , Richardson Colter
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 101 ページ: -
  • DOI: 10.1103/physrevd.101.123028
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetorotational Explosion of a Massive Star Supported by Neutrino Heating in General Relativistic Three-dimensional Simulations (2020)
  • 著者名/発表者名: Kuroda Takami , Arcones Almudena , Takiwaki Tomoya , Kotake Kei
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 896 ページ: 102
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab9308
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Time of flight and supernova progenitor effects on the neutrino halo (2020)
  • 著者名/発表者名: Cherry John F. , Fuller George M. , Horiuchi Shunsaku , Kotake Kei , Takiwaki Tomoya , Fischer Tobias
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 102 ページ: -
  • DOI: 10.1103/physrevd.102.023022
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dimension dependence of numerical simulations on gravitational waves from protoneutron stars (2020)
  • 著者名/発表者名: Sotani Hajime , Takiwaki Tomoya
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 102 ページ: -
  • DOI: 10.1103/physrevd.102.023028
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Systematic Study on the Rise Time-Peak Luminosity Relation for Bright Optical Transients Powered by Wind Shock Breakout (2020)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Akihiro , Moriya Takashi J. , Takiwaki Tomoya
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 899 ページ: 56
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aba0ba
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Systematic investigation of the effect of 56Ni mixing in the early photospheric velocity evolution of stripped-envelope supernovae (2020)
  • 著者名/発表者名: Moriya Takashi J , Suzuki Akihiro , Takiwaki Tomoya , Pan Yen-Chen , Blinnikov Sergei I
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 497 ページ: 1619-1626
  • DOI: 10.1093/mnras/staa2060
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Accuracy of the relativistic Cowling approximation in protoneutron star asteroseismology (2020)
  • 著者名/発表者名: Sotani Hajime , Takiwaki Tomoya
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 102 ページ: -
  • DOI: 10.1103/physrevd.102.063025
  • 査読あり
• [雑誌論文] Avoided crossing in gravitational wave spectra from protoneutron star (2020)
  • 著者名/発表者名: Sotani Hajime , Takiwaki Tomoya
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 498 ページ: 3503-3512
  • DOI: 10.1093/mnras/staa2597
  • 査読あり
• [雑誌論文] 2D numerical study for magnetic field dependence of neutrino-driven core-collapse supernova models (2020)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto J , Takiwaki T , Kotake K , Asahina Y , Takahashi H R
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 499 ページ: 4174-4194
  • DOI: 10.1093/mnras/staa3095
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Subsolar Metallicity Progenitor for Cassiopeia A, the Remnant of a Type IIb Supernova (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato Toshiki , Yoshida Takashi , Umeda Hideyuki , Nagataki Shigehiro , Ono Masaomi , Maeda Keiichi , Hirai Ryosuke , Hughes John P. , Williams Brian J. , Maeda Yoshitomo
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 893 ページ: 49
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab822a
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] First detection of X-ray line emission from Type IIn supernova 1978K with XMM-Newton’s RGS (2020)
  • 著者名/発表者名: Chiba Yuki , Katsuda Satoru , Yoshida Takashi , Takahashi Koh , Umeda Hideyuki
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 72 ページ: -
  • DOI: 10.1093/pasj/psz148
  • 査読あり
• [雑誌論文] Neutrino halo effect on collective neutrino oscillation in iron core-collapse supernova model of a 9.6 solar-mass star (2020)
  • 著者名/発表者名: Zaizen Masamichi , Cherry John F. , Takiwaki Tomoya , Horiuchi Shunsaku , Kotake Kei , Umeda Hideyuki , Yoshida Takashi
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2020 ページ: 011-011
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2020/06/011
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Fitting formulae for evolution tracks of massive stars under extreme metal-poor environments for population synthesis calculations and star cluster simulations (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanikawa Ataru , Yoshida Takashi , Kinugawa Tomoya , Takahashi Koh , Umeda Hideyuki
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 495 ページ: 4170-4191
  • DOI: 10.1093/mnras/staa1417
  • 査読あり
• [雑誌論文] The final fate of supermassive 5 x 10^{4} solar masses Pop III stars: explosion or collapse? (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagele Chris , Umeda Hideyuki , Takahashi Koh , Yoshida Takashi , Sumiyoshi Kohsuke
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 496 ページ: 1224-1231
  • DOI: 10.1093/mnras/staa1636
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pulsational Pair-instability and the Mass Gap of Population III Black Holes: Effects of Overshooting (2020)
  • 著者名/発表者名: Umeda Hideyuki , Yoshida Takashi , Nagele Chris , Takahashi Koh
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 905 ページ: L21
  • DOI: 10.3847/2041-8213/abcb96
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 大質量星における中質量元素合成の後期進化における対流による影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田敬
  • 学会等名: 第7回超新星ニュートリノ研究会
  • 招待講演
• [学会発表] A Three-dimensional Hydrodynamics Simulation in the Si/O-rich Convective Layer for the Final Evolution of a Fast-rotating Massive Star (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田敬
  • 学会等名: 令和2年度国立天文台CfCAユーザーズミーティング
• [学会発表] 超新星とニュートリノ (2020)
  • 著者名/発表者名: 固武 慶
  • 学会等名: 日本物理学会秋季年会 セッション "宇宙と素粒子の残された謎の解明に向けた，次世代ニュートリノ観測・陽子崩壊実験(ハイパーカミオカンデ）"(オンライン)
  • 招待講演
• [学会発表] 超新星ニュートリノ理論レビュー (2020)
  • 著者名/発表者名: 固武 慶
  • 学会等名: CRCタウンミィーティング
  • 招待講演
• [学会発表] Historical review on the theory of core-collapse supernovae (2020)
  • 著者名/発表者名: 滝脇知也
  • 学会等名: Supernova workshop 2020
  • 招待講演
• [学会発表] 超新星爆発における輸送現象 (2020)
  • 著者名/発表者名: 滝脇知也
  • 学会等名: 第37回プラズマ核融合学会年会
• [学会発表] Summary report from C01 (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomoya Takiwaki
  • 学会等名: GW genesis
  • 国際学会
• [学会発表] 大質量星における40Kと中質量元素の元素合成：後期進化の対流混合による影響 (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉田敬
  • 学会等名: 新学術「地下宇宙」領域研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 重力崩壊直前の大質量星の酸素-ケイ素対流燃焼層における3次元対流の進化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉田敬
  • 学会等名: 日本天文学会2020年秋季年会
• [備考] 大質量星の多次元進化から解き明かす 爆発的コンパクト天体形成メカニズムの統一的解明
  • URL: https://sites.google.com/site/kibana17h01130/home